TÍTULO: PROPOSTA DA APLICAÇÃO DAS MECÂNICAS DE JOGOS VIRTUAIS NOS SINAIS
MIOELÉTRICOS DESENVOLVIDOS NA REABILITAÇÃO FISIOTERAPÊUTICA EM PACIENTES COM DIFICULTADADES EM EXECUTAR MOVIMENTOS EM MEMBROS SUPERIORES OU INFERIORES TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO CATEGORIA:
ÁREA: ENGENHARIAS E ARQUITETURA ÁREA:
SUBÁREA: ENGENHARIAS SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BRASÍLIA INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): PEDRO HENRIQUE CANTUÁRIA LÔBO AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): LUCIANO HENRIQUE DUQUE ORIENTADOR(ES):
Grupo de Engenharia de Reabilitação – GER Resumo
Este trabalho apresenta um sistema de condicionamento para a coleta e análise de sinais eletromiográficos (EMG). A eletromiografia é uma técnica que permite o registro dos sinais elétricos gerados pelas células musculares, possibilitando a análise da atividade muscular durante o movimento. A gamificação dos sinais mioelétricos visa melhorar o desempenho na reabilitação de membros superiores ou inferiores, oferecendo um feedback motivacional ao paciente, através de desafios moldados em etapas. O conceito de gamificação consiste em usar estrutura e dinâmica encontrada em jogos para motivar e aprimorar os pacientes em reabilitação fisioterapêutica em membros superiores ou inferiores. O sistema proposto é composto por um hardware, o amplificador de eletromiografia, um software analisador de sinais e o desenvolvimento de vários games conforme as necessidades do paciente. As medições dos sinais mioelétricos e sua tratativa são executadas pelo software analisador, peça fundamental para o funcionamento adequado dos games conforme os exercícios atribuídos pelo profissional de fisioterapia. Os jogos virtuais desenvolvidos são elaborados para exercícios de reabilitação que envolve força e controle dos membros superiores ou inferiores. Através desse sistema é possível obter maior objetividade e exatidão no diagnóstico e auxílio na recuperação de pacientes que apresentem lesões nestes membros. Com essa tratativa objetiva-se fomentar e auxiliar a reabilitação dos pacientes. O fisioterapeuta pode com o auxílio do protótipo, estudar e analisar o comportamento de uma musculatura qualquer em pacientes em reabilitação ou não. A eletromiografia se torna uma ferramenta adequada para investigação da função muscular, tanto na pesquisa quanto na prática clínica de fisioterapeutas.
1. Introdução
O avanço tecnológico contribuiu significativamente para o desenvolvimento de jogos virtuais destinados à prática de atividade física, desenvolvidos para empregar o movimento humano como elemento de entrada, com a finalidade de aumentar o gasto calórico e a interatividade (BEKKER e EGGEN, 2008).
Diariamente as pessoas têm lesões musculares que são originadas por acidentes, esforços repetitivos ou por problemas vasculares, para a recuperação do paciente os exercícios propostos na reabilitação são repetitivos e algumas vezes são considerados exaustivo ou doloroso. Com isso têm-se tecnologias de baixo custo que se pode observar uma melhora nessa prática. Estratégias que incluam o uso de tecnologias para o tratamento de pessoas com deficiência motora têm sido um dos principais tópicos de discussão nas áreas de ciências da saúde (CHANG, CHEN e HUANG 2011).
Eletromiografia é uma área da medicina que se propõe a estudar os fenômenos bioelétricos que ocorrem no corpo humano dentro das membranas celulares na musculatura humana e em todo o sistema nervoso. No cérebro humano, há uma grande quantidade de atividade neural que nos define como somos e o que fazemos. O sistema locomotor (Unidade Motora - MUAP) (ANDRADE, 2007) ao andarmos, o cérebro envia estímulos nervosos (impulsos bioelétricos) através dos tendões e músculos para as pernas permitindo assim controlarmos os passos, o equilíbrio, a velocidade da nossa locomoção, e para os membros superiores o mesmo fenômeno ocorre com os sinais cerebrais indo para os braços e para as mãos. Esses sinais se propagam no corpo humano através dos neurônios, que são a unidade básica da estrutura cerebral de todo o sistema nervoso humano e animal.
O biofeedback eletromiográfico (EMG), amplamente utilizado na reabilitação musculoesquelética, consiste na medida da atividade elétrica associada à contração muscular e retorno de informações por meio de sinais auditivos e visuais. Os sinais mioelétricos, como são chamados os sinais medidos por EMG, podem ser aplicados em clínica para reeducação muscular, em especial para relaxamento da proteção muscular com redução da dor pela interrupção do ciclo “dor-proteção-dor”. (PRENTICE, 2003)
O estudo apresentado na conferência Life Sciences, da Universidade Heriot-Watt, em Edimburgo, pelo Dr. Alasdair Thin, mostra que a atividade física na realização de jogos “Exergaming” pode ser considerada como um bom exercício real e que não substitui o exercício aeróbio convencional (ARMSTRONG, 2007).
Nesse contexto, torna-se importante obter o sinal elétrico produzido pelo esforço muscular, utilizando um amplificador de eletromiografia (EMG), que amplifica o sinal captado e um software processa os sinais e apresenta em tela sua amplitude e sons gerados pela atividade muscular. Após o sinal captado, amplificado e analisado, um software com o sinal captado e o paciente efetua os exercícios necessários a sua reabilitação, recebendo um feedback através do game conforme a recomendação do terapeuta, que acompanha e avalia o sinal captado. O EMG é a base para captar os sinais, sendo bastante útil em procedimentos de fisioterapia e outros campos de pesquisa, e consegue obter informações sobre a atividade elétrica do músculo que é induzido, assim podemos efetuar o processamento e a gamificação dos sinais (Adaptado de: AMADIO, 2006).
O EMG proposto (hardware) para captura dos sinais será desenvolvido com amplificador operacional diferencial e filtros baseado na família TLC274CN, os softwares para processamento de sinais e gamificação são desenvolvidos em linguagem de programação java. Os games desenvolvidos são elaborados para exercícios de reabilitação que envolve força e controle dos membros superiores ou inferiores. Vamos aplicar nesse trabalho o conceito de gamificação, que consiste em usar estrutura e dinâmica encontrada em jogos para motivar e aprimorar os pacientes em reabilitação fisioterapêutica em membros superiores ou inferiores (Adaptado de: KARL, 2012).
1.1. Objetivo Geral
O objetivo geral proposto nesse trabalho é desenvolver um protótipo de um sistema capaz de extrair os sinais elétricos do músculo, analisá-los, e através de um processo de gamificação motivar e auxiliar a reabilitação de pacientes com problemas em membros superiores ou inferiores, com auxílio de profissional de fisioterapia.
1.2. Objetivos Específicos
Os objetivos específicos para desenvolver o sistema de coleta, análise e gamificação dos sinais mioelétricos são:
• Projetar filtros para eliminar ruídos indesejáveis, permitindo captar apenas o ruído muscular na faixa 10Hz a 500Hz;
• Elaborar circuito amplificador diferencial com o foco na amplificação dos sinais elétricos (10Hz a 500Hz) gerados pelo músculo, utilizando amplificadores operacionais de alta sensibilidade;
• Desenvolver utilizando a linguagem java um software capaz de analisar processar os sinais;
• Desenvolver games adequados para cada tipo exercício necessários na reabilitação do paciente.
2. Desenvolvimento
2.1. Referencial Teórico
A análise de sinais EMG de grupos musculares específicos proporciona a composição de estudos para uma grande variedade de aplicações, como nas áreas de anatomia, reabilitação, fisioterapia, medicina, educação física, dentre outras (ORTOLAN, R. L). Essas análises são proporcionadas através do uso de informações como a estimação de força produzida por um músculo, fadiga.
A Eletromiografia é uma técnica de monitoramento da atividade elétrica das células, representando a medida dos potencias de ação da membrana da célula muscular. O sinal eletromiográfico é o somatório algébrico de todos os sinais detectados em certa área, podendo ser afetado por propriedades musculares, anatômicas e fisiológicas.
Para Guyton (1998), a emissão de sinal elétrico acontece pela contração e relaxamento da fibra muscular e, esta sequência de movimentos recebe o nome de “potencial de ação muscular (MUAP)”. Esse potencial é uma alteração rápida na polaridade da voltagem, de negativa para positiva e de volta para negativa, sendo que esse ciclo completo possui alguns milissegundos.
Os sinais elétricos estão diretamente relacionados com os potenciais de ação do músculo. Os músculos podem contrair, produzir força e os movimentos são realizados por ativação muscular. A contração muscular e a produção de força são provocadas pela mudança de posição da membrana muscular e, esta mudança de posição acontece em virtude de um fenômeno elétrico, conhecido como potencial de ação, que é resultado da mudança no gradiente de concentração de íons que existe entre o interior e o exterior da célula muscular. (BASMAJIAN E LUCA, 1985).
Para a captação desses sinais usam-se os eletrodos metálicos, existem diversos tipos, porém nesse projeto utilizaram-se os de superfície, pois não gera desconforto para o paciente, fácil manuseio, promove uma transição estável, com relativo baixo ruído e para futuros trabalhos será de fácil implementação.
2.2. Metodologia de pesquisa
Coletar, analisar e processar os sinais mioelétricos é de suma importância para o desenvolvimento do trabalho proposto, pois após as tratativas de sinais, o conceito da gamificação é aplicado, permitindo ao paciente em recuperação fisioterapêutica efetuar exercícios com auxílio de games que estimulem sua recuperação. Nesse cenário, como metodologia para desenvolvimento do trabalho proposto, o sistema é dividido nas seguintes etapas:
• A primeira etapa é formada pelo estudo e captação dos sinais mioelétricos do músculo analisado, com utilização de eletrodos de superfície. Os eletrodos são dispositivos de entrada e saída de corrente em um sistema elétrico.
• A segunda etapa é embasada no desenvolvimento de um circuito condicionador, que é constituído por filtros e amplificadores operacionais diferencias responsáveis pela filtragem e amplificação do sinal de atividade muscular. Nessa fase, os sinais coletados do músculo em análise serão filtrados na faixa de 10Hz a 500Hz e após esse processo serão amplificados como base em amplificadores operacionais de alta sensibilidade, especificamente o operacional da família TLC274CN;
• A terceira etapa consiste no desenvolvimento de um software baseado em linguagem Java, capaz de receber os sinais coletados pelo EMG, processar matematicamente, apresentar sua forma de onda na tela do computador e apresentar de forma audível o ruído gerado pelo músculo em análise. O software prevê também mecanismos que permite mensurar a intensidade da força exercida pelo músculo e possibilidade de eliminar ruído fora da faixa de 10Hz a 500Hz do sinal EMG;
• Na quarta etapa o conceito da gamificação é aplicado para o desenvolvimento de jogos (games) que vão interagir com os sinais coletados pelo EMG e processados pelo software analisador de sinais. Por enquanto, estamos usando o Unity, que permite o desenvolvimento dos scripts dos jogos em linguagem C, Java script. Apresentamos dois jogos que são referentes a exercícios de força recomendados por fisioterapeuta; • Por fim, a quinta etapa consiste em realizar testes no hardware do EMG e
testes de interação dos games com o EMG e validação dos testes. Complementando a metodologia utilizamos o simulador de circuitos Proteus (PROTEUS, 2010), multímetro digital, eletrodos de superfície e computador para auxiliar os testes.
2.3. Discussão e análise dos resultados
Para desenvolver o sistema proposto é necessário analisar como os sinais eletromiográficos no corpo são transmitidos e a partir desse conhecimento desenvolver o protótipo para captação e amplificação das atividades musculares. Após o hardware EMG desenvolvido é possível projetar os softwares para análise e geração de games de interação com o paciente. Os formatos de onda EMG são processados por um amplificador diferencial com base no amplificador operacional TLC274CN de alta sensibilidade, impedância e ganho.
2.3.1. Sinais Eletromiográficos
São sinais mioelétricos gerados pelas contrações de nervos e músculos. Esses sinais apresentam tensões em níveis muito baixos, tipicamente variando entre 100𝛍𝐯 2mv, com alta impedância e propensos a altos níveis de interferência de sinal e
ruído (RICCIOTTI, 2006). O sinal EMG (eletromiográfico) pode ser definido pela equação 1 (ANDRADE, 2007):
𝑬𝑴𝑮(𝒕) = ∑𝑵𝒎𝒋=𝟏𝑺𝑷𝑨𝑼𝑴(𝒕) + 𝒏(𝒕) (1)
Onde: SPAUM – série de potenciais de ação da unidade motora de 10Hz a 500Hz; n(t) – Ruído, t - é o tempo de amostra.
2.3.2. Desenvolvimento do circuito condicionar de sinais mioelétricos
Os sinais Eletromiográficos são captados através dos eletrodos de superfície, que são dispositivos transdutores de sinais. Os sinais captados pelos eletrodos de superfície precisam ser amplificados devido a sua amplitude ser muito baixa. Os ruídos provenientes dos batimentos cardíacos, aparelhos eletrônicos podem provocar interferências no circuito condicionador.
Nesse cenário, é necessário desenvolver filtros de sinais na faixa de 10Hz e 500 Hz em conjunto com amplificadores diferenciais e amplificadores de áudio, esse nos permite ouvir a atividade muscular. A figura 1 abaixo apresenta o diagrama em blocos do circuito condicionador com amplificador de áudio e filtros.
Fig. 1. Diagrama em blocos do sistema proposto
O sinal captado pelo eletrodo é aplicado em um circuito amplificador diferencial com filtros na faixa de 10Hz a 500Hz, faixa dos sinais EMG (SUSAN,2008). Depois de amplificados, são enviados para o software analisador e amplificador de áudio. O software analisador é responsável por exibir na tela do computador a forma de onda do sinal EMG capturado no músculo em estudo e também apresenta funções de filtragem, mediações de intensidade força e tela personalizada que possibilita ao profissional de fisioterapia fazer diagnósticos em membros superiores ou inferiores. A tela do software para geração do game é apresentado apenas para o paciente em
outro computador, no entanto, quem seleciona o game é o terapeuta e sua escolha é função do exercício. O circuito condicionador é projetado baseado no amplificador operacional TLC274CN, que possui alta impedância e ganho. A filtragem do sinal ocorre na faixa de 10Hz a 500Hz. O amplificador diferencial com os filtros RC na entrada que tem a função de eliminar os ruídos de atividades provindas dos outros músculos, os sinais cardíacos e outros tipos de interferências eletromagnéticas deixando passar apenas os sinais de EMG do músculo analisado (figura 2). O filtro de RC pode ser obtido através da equação 2.
𝒇 = 𝟏
𝟐𝝅∗𝑹∗𝑪 (𝟐)
Onde: 𝒇 - é a frequência de corte, R - Resistência em homs (Ω), Capacitância em Faraday.
Fig. 2. Circuito condicionador
2.3.3. Projeto do software analisador e games
O software analisador é desenvolvido em linguagem Java e apresenta a função de processador de sinais, que são enviados pelo circuito condicionador e capturados pelo software. Ele apresenta os resultados em uma tela de computador, com funções de medição de força, gravação dos sinais, reprodução, filtragem dos sinais. A figura 4 apresenta o software processando sinal EMG.
O sinal EMG capturado e processado pelo software é enviado para o game, que conforme o movimento do paciente opera o game especificado pelo terapeuta.
No primeiro game de corrida, o esforço do paciente é traduzido na velocidade do personagem, que no primeiro protótipo é representado por uma bola branca competindo com uma vermelha que é acelerada por uma força constante.
A dificuldade do jogo é definida pela distância e relevo do terreno do cenário escolhido e por parâmetros configurados pelo terapeuta, como a sensibilidade da captura, limiar de ativação do controlador e velocidade do oponente. No segundo jogo, que simula uma cobrança de pênalti em um jogo de futebol, o esforço do paciente define a força do chute e deve ser concentrado em um tempo limitado. Os parâmetros controlados pelo terapeuta incluem a velocidade de movimento do goleiro, que no protótipo é representado por uma parede, o tempo disponível para o paciente encher a barra de força do chute, a quantidade de cobranças de pênalti realizadas, a sensibilidade da captura e limiar de ativação do controlador.
Fig. 6. Protótipo do sistema em teste de membro superior 3. Considerações Finais
Durante o processo da pesquisa, conversou-se com os profissionais da fisioterapia e foi verificado que para um melhor atendimento do paciente que obteve alguma lesão muscular seria os exercícios de força, após essa análise, e fechamento do desenvolvimento dos jogos, pode-se verificar a eficácia que trouxe para o tratamento, porém ainda existem poucos jogos e com um único desafio, para que haja um melhor aproveitamento na reabilitação do indivíduo.
Observou-se para que ocorresse uma melhor captação dos sinais eletromiográficos foram utilizados filtragem dos ruídos - são originados pelo próprio protótipo ou pela frequência cardíaca.
Os jogos apresentados buscam melhorar o tratamento da reabilitação fisioterapêutica através da diversão que eles propõem, ajuda as pessoas a se envolver em reabilitação, na autoconfiança, com isso tem-se uma recuperação do controle muscular significativa.
Para os pacientes que são criança, motiva-as para ir ao consultório para “jogar” uma corrida de bolinhas, não tornando aquela consulta obsoleta e cansativa.
O fisioterapeuta pode com o auxílio do protótipo, estudar e analisar o comportamento de uma musculatura qualquer em pacientes em reabilitação ou não. Por outro lado, o paciente obtém um feedback de sua recuperação através do game motivando sua reabilitação.
4. Referências
ALBUQUERQUE, E. C., SCALABRIN E. E. O uso de computador em programas de reabilitação neuropsicológico. Psicol Argum. 2007.
AMADIO, A. C; ARAÚJO, R. C. Análise biomecânica da ativação das porções superficiais do músculo. Revista Brasileira de Fisioterapia, 2006.
BASMAJIAN, John V. e LUCA, Carlo de. Muscles Alive: their functions revealed by electromyography. Baltimore: Williams & Wilkins; 5th edition,1985.
CHANG, Y., CHEN, S. AND HUANG, J. A Kinect-based system for physical rehabilitation: A pilot study for young adults with motor disabilities. Research in Developmental Disabilities, Volume 32(6), 2011.
GALHARDO, CAROLINA DO AMARAL. Torque em um exoesqueleto estimado por sinais eletroneuromiográficos. PUC - Pontifica Universidade Católica.
GUYTON, ARTHUR C., HALL, JOHN E. Fisiologia Humana e Mecanismos de Doenças. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 6ª edição, 1998.
